数据机房集中式与平面型冷凝器热环境对比研究

闫 涛，郑匡庆，秦冰月，吴明阳（中国农业银行股份有限公司数据中心， 上海 200131）

随着数据机房精密空调安装数量的快速增长，有限的屋顶面积变得越来越紧张，使得空调冷凝器的布置越来越密集[1]。由于浮生力的影响，只关注垂直方向上冷凝器换热的相互影响，可能会忽略建筑屋顶上冷凝器摆放过密的问题。传统冷凝器设计的结构为下进风上出风的平面型，多台冷凝器集群安装时，容易造成中间部分冷凝器无法充分与周围空气换热，在夏季某些极端条件下，有可能会触发压缩机高压保护动作[2]，造成空调运行中断，进而影响数据机房的安全稳定运行[3]。另外，随着数据机房业务量的快速增长，机房的计算机（ IT ）负荷也在飞速增长，机房不得不面临改造。在面积有限的屋顶安装冷凝器时，考虑安装占地面积的同时也要考虑冷凝器的散热性能及气流组织的合理性，为此引入集中式冷凝器。其节省占地面积的同时，满足机房负荷快速增长的需求。史玉玲等[4]通过 计算流体动力学（CFD） 与系统仿真相结合的方法，分析比较了 3 种冷凝器空气侧数值模拟的方法，表明应用风扇边界条件的 CFD 方法不仅简便易于操作而且具有较高的计算精度。

因此，合理的冷凝器布局成为精密空调系统安全运行的重要保证。某机房在改造后，采用 CFD 模拟验证集中式冷凝器气流组织的合理性，同时对比传统平面型与集中式冷凝器的散热效果。

1 集中式与平面型冷凝器对比

针对空调更新改造项目涉及的 10 台集中式冷凝器，对比平面型冷凝器和集中式冷凝器的热环境，评价改造方案下冷凝器的进风温度差异，判断集中式冷凝器在改造项目中的气流组织的合理性。

2 机房建模信息

仿真环境条件为：环境温度 42℃，湿度 50%，东南风3 m/s（地表粗糙度 0.002 4 mm），不考虑太阳辐射。楼高19.5 m，共计 129 台冷凝器，有 3 种类型的冷凝器，冷凝器自带支架 0.45 m，不同区域冷凝器钢架离地高度不同，建模采用冷凝器模型。西侧有 1 台新风机，高度为 2.25 m。

建立完整的冷凝器群模拟，分析夏季 42℃，季风东南风 3 m/s（气象局风速定义基准为高度为 10 m 左右的风速，不同高度的风速符合幂函数分布），忽略太阳辐射场景下冷凝器的热环境。按照上述条件建立 CFD 模型，如图 1所示。模型包含楼顶 5 个方位的冷凝器、新风机组及改造冷凝器。其中改造冷凝器为本文重点分析对象。

图1 CFD 模型示意图

3 冷凝器参数

冷凝器共有 3 种型号，3 种类型在图中的具体位置如模型示意图所示。其具体参数如表 1 所示。平面型和集中式冷凝器结构示意图如图 2 所示。

表1 冷凝器参数表

图2 平面型和集中式冷凝器示意图

4 冷凝器 CFD 模拟结果

冷凝器模拟结果用来对比平面型和集中式冷凝器周围热环境状况。

4.1 冷凝器平均进风温度分布

冷凝器平均进风温度如图 3 所示。由图 3 可知，集中式冷凝器平均进口温度最高为 45.1 ℃，平面型冷凝器平均进口温度最高为 45.5 ℃，略高于集中式冷凝器。两种方案所处的平均进口温度比预先设定的环境温度高 2 K。

图3 冷凝器平均进风温度 （左为集中式，右为平面型，下同）

4.2 冷凝器平均出风温度分布

冷凝器平均出风温度如图 4 所示。由图 4 可知，集中式冷凝器平均出口温度最高为 51.6 ℃，平面型冷凝器平均出口温度最高为 52 ℃，略高于集中式冷凝器。与平均进风温度相比，出口和进口温差约 6.5 K。

图4 冷凝器平均出风温度

4.3 冷凝器不同高度处的截面温度分布

（1）距离屋顶 0.5 m 处温度分布。屋顶 0.5 m 截面位于冷凝器入口下方，具体结果如图 5 所示。

图5 距离屋顶 0.5 m 处温度分布

由图 5 可以看出，集中式冷凝器约 44.0 ℃，平面型冷凝器约 45.0 ℃，其温度升高主要是由于受北侧其他冷凝器影响，南侧的冷凝器形成热岛。

（2）距离屋顶 2.5 m 处温度分布。屋顶 2.5 m 截面位于冷凝器出口上方，集中式冷凝器温度约 51.6 ℃，平面型冷凝器温度约 52.0 ℃，具体结果如图 6 所示。要改造区域的冷凝器受到了周围冷凝器散热的影响。

图6 距离屋顶 2.5 m 处温度分布

4.4 改造项目涉及冷凝器流线图

空调改造项目涉及冷凝器的流线图如图 7 所示。由图 7可知，二者的进风温度均受到南侧冷凝器不同程度的影响。从改造前后方案来看，集中式冷凝器的流线相比平面型流线更为有序，区别在于改造后的冷凝器上方流线有些许差异，这是由于两者结构上的不同导致的微环境差异。

图7 冷凝器流线图

4.5 分析结果对比

集中式与平面型冷凝器对比指标如表 2 所示。

表2 集中式与平面型冷凝器对比指标

由表 2 可知，集中式冷凝器各项指标均优于传统平面型冷凝器，在实现节省安装占地面积的同时，能够实现良好的散热。集中式冷凝器单组安装占地面积为 2.563 m2，平面型冷凝器单组安装占地面积为 3.035 m2。本次安装的 10 台行间空调，若采用集中式冷凝器，可采用前后并排安装方式，总占地面积为 12.815 m2；若采用平面型冷凝器，为保证机组的散热性能，水平安装时，2 组冷凝器之间需间隔 1.2 m，相邻 2 组间隔占地面积为 2.861 m2，冷凝器占地面积为 15.175 m2，间隔总占地面积为 8.583 m2，总占地面积为23.758 m2。对比可以看出集中式冷凝器安装占地面积比平面型冷凝器节省 10.943 m2，可减少 46.1% 的占地面积，提高了屋顶室外面积使用率。

5 结 语

对比集中式与平面型冷凝器热环境模拟结果，可以看出二者入口平均温度差别在 1 K 内，其热环境相近，均受到周围冷凝器影响，微环境与大环境温度相比要升高 2 K。从仿真结果来看，集中式冷凝器气流组织合理，集中式冷凝器的室外热环境优于平面型冷凝器，集中式冷凝器的流线相比平面型流线更为有序。在节省 46.1% 冷凝器安装占地面积的同时，集中式冷凝器具有更好的推广使用优势，在后续空调改造项目中可以优先采用集中式冷凝器。